砂泥岩地层断层岩压实成岩埋藏深度预测方法及其应用

沙子萱 ，孙源 ，文全 ，于丹

（1.东北石油大学地球科学学院，黑龙江 大庆 163318；2.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712；3.青岛金智瑞油气田开发技术有限公司，山东 青岛 266000）

0 引言

随着断裂在砂泥岩盆地油气成藏中所起作用研究的深入，人们逐渐认识到砂泥岩地层中的断层封闭性主要受到断层岩泥质含量和压实成岩埋藏深度（简称压实成岩埋深）的影响［1-3］。断层岩泥质含量和压实成岩埋深越大，断层岩排替压力越大，封闭性越好，反之则越差。因此，只要能确定断层岩泥质含量和压实成岩埋深，便可以对砂泥岩地层中的断层封闭性进行准确评价。目前已经有一些方法［4-11］可以较准确地预测出断层岩的泥质含量，但对断层岩压实成岩埋深的研究尚不成熟，严重阻碍了砂泥岩地层中断层封闭性研究的深入。

前人对砂泥岩地层断层岩压实成岩埋深开展的研究方法主要有：1）假定断层岩和围岩压实成岩速率相等，由断层岩停止活动时间、围岩压实成岩埋深和压实成岩时间求取断层岩压实成岩埋深［12-18］。2）假定断层岩和围岩具有相同的压实成岩历史，由断层岩停止活动时间、围岩压实成岩埋深、压实成岩时间和压实系数，利用断层岩和围岩压实成岩埋深之比与二者孔隙度之比成反比的关系求取断层岩压实成岩埋深［14，19-23］。这些方法在求取断层岩压实成岩埋深、评价砂泥岩地层断层封闭性的研究中起到了重要作用。然而，在求取断层岩压实成岩埋深时，这些方法不是假设条件过于苛刻，就是一些参数确定不合理，造成计算得到的断层岩压实成岩埋深与地下实际情况存在偏差，严重影响了砂泥岩地层断层封闭性评价的准确性。因此，开展砂泥岩地层断层岩压实成岩埋深预测方法研究，对于准确评价砂泥岩地层断层封闭性具有重要意义。

1 断层岩压实成岩埋深影响因素

砂泥岩地层中，断层岩压实成岩过程应与围岩的压实成岩过程相似。断层岩是在上覆沉积载荷、区域主压应力与地下水携带矿物质沉淀胶结等作用下形成的，只是开始压实成岩时间明显比与其具有相同埋藏深度的围岩压实成岩时间要晚，应从断裂停止活动后开始压实成岩。然而，同一条断裂剖面上不同部位虽然断层岩压实成岩时间相同，但其埋藏深度不同，压实成岩埋深也不同，这是因为断层岩压实成岩埋深（或程度）是压实成岩压力在一定时期里作用的结果。

由图1（Z为断层岩埋藏深度，Z0为断层岩停止活动时的埋藏深度，θ为断层倾角）可看出，随着埋藏深度的增加，砂泥岩地层断层岩压实成岩埋深由顶部某处((Z-Z0)cos θ)至其下某处(Zcosθ)，是逐渐增大的。然而，对于确定停止活动时间和埋藏深度的断层岩来说，其压实成岩埋深还受到泥质含量的影响。通常情况下，断层岩泥质含量越高，越容易被压实成岩，压实成岩埋深越大（见图 2。图中 Rf1，Rf2，Rf3，Rf4为断层岩不同泥质体积分数，且 Rf1＜Rf2＜ Rf3＜Rf4）。

总之，断层岩的压实成岩埋深受到埋藏深度、倾角、泥质含量和停止活动时间等因素的综合影响，对于倾角、停止活动时间和泥质含量相同的断层岩，随着埋藏深度的增加，压实成岩埋深增大。

2 断层岩压实成岩埋深预测方法

由于受到钻井和取心的限制，目前无法通过取样直接确定断层岩的压实成岩埋深，所以只能借助于间接方法，利用其影响因素（埋藏深度、泥质含量、倾角和停止活动时间）求得。为了方便研究问题，假设以下条件：1）断层岩物质成分仅来自断层两盘被错断地层岩石；2）若断层岩和围岩泥质含量相同，那么断层岩与围岩具有相同的压实成岩历史，即具有相同的孔隙度随压实成岩埋深变化关系。

在上述假设条件下，首先，由断裂断距和被断裂错断的岩层厚度和泥质含量（泥质体积分数定量表征泥质含量，可由文献［24］中的预测方法，利用自然伽马测井资料求取），利用式（1）预测断层岩泥质体积分数；然后，通过实测围岩孔隙度资料，由自然伽马测井资料求取围岩中的泥质体积分数，建立围岩孔隙度与围岩压实成岩埋深、泥质体积分数的关系（见式（2））；最后，将断层岩泥质体积分数代入式（3），便可得到与断层岩具有相同泥质含量的围岩孔隙度随压实成岩埋深变化关系曲线。将曲线从围岩停止沉积时间（Ts）移至相当于断层岩开始压实成岩埋深Z1(Z1=(Z0-(Z-Z0)cosθ))处对应的沉积时间，平移后的曲线可看作断层岩孔隙度随压实成岩埋深的变化关系，取断层岩现今压实成岩埋深Z2(Z2=Zcos θ)对应的孔隙度，即为断层岩现今孔隙度 ϕf（见图 3）。

式中：Hi为被断裂错断的第i层岩层厚度，m；Ri为被断裂错断的第i层岩层泥质体积分数；L为断裂断距，m；n为被断裂错断的岩层个数。

式中：ϕs为围岩孔隙度；Rm为围岩泥质体积分数；Z为围岩压实成岩埋深，m；a，b为与地区有关的系数。

式中：Zf为断层岩压实成岩埋深，m。

3 实例应用

南堡5号构造位于南堡凹陷西北部，为一长期继承性发育的背斜构造，其上发育一系列近北东向断裂（见图4a。圆形图式表示钻井油气显示情况）。该构造钻遇的地层有孔店组、沙河街组、东营组、馆陶组、明化镇组和第四系。目前已发现的油气主要分布在东营组三段、二段和一段，油气藏类型主要为断层遮挡型油气藏和断块型油气藏（见图4b）。

F3断裂为一正断层，位于南堡5号构造中部，走向为北东东向，平面延伸长度约为13.4 km（见图4a）。F3断裂倾角平均为25°，断距为70～145 m，从下部东营组三段中部一直向上断至馆陶组中部，是一条长期发育的断裂。准确预测F3断裂在东营组三段—一段内断层岩压实成岩埋深，对于正确认识F3断裂的侧向封闭性和指导南堡5号构造油气勘探至关重要。

由图4b可以得到F3断裂在东营组三段、二段和一段现今埋藏深度分别为3 800，3 000，2 900 m，因其上无明显的地层抬升剥蚀，可将这3个深度看作东营组三段、二段和一段的压实成岩埋深。由图4b还可以得到F3断裂停止活动埋藏深度约为2 320 m，由同位素测年结果可得F3断裂停止活动时间约为距今13.3 Ma，东营组三段、二段和一段围岩压实成岩时间分别为距今 27.9，26.3，24.5 Ma。由式（1）求得 F3 断裂在东营组三段、二段和一段内的断层岩泥质体积分数分别为32%，29%，31%。由南堡凹陷实测围岩孔隙度与围岩压实成岩埋深、围岩泥质体积分数变化关系（见图5），可以得到三者之间的关系式：

将F3断裂在东营组三段、二段和一段内的断层岩泥质体积分数分别代入式（4），便可得到与断层岩具有相同泥质体积分数的东营组三段、二段和一段围岩孔隙度随压实成岩埋深的变化关系曲线，将曲线从围岩停止沉积时间（距今 27.9，26.3，24.5 Ma）移至 F3断裂在东营组三段、二段和一段内断层岩开始压实成岩埋深（分别为 973.2，1 701.2，1 792.2 m）对应的沉积时间，作为F3断裂在东营组三段、二段和一段内断层岩孔隙度随压实成岩埋深变化关系曲线（见图6）。将F3断裂在东营组三段、二段和一段内的断层岩现今埋藏深度乘以断裂倾角的余弦值，即断层岩现今压实成岩埋深，分别为3 458，2 730，2 639 m；由图6可得到F3断裂在东营组三段、二段和一段内断层岩对应的现今孔隙度分别为 14.87%，23.66%，27.66%，再将其代入式（3）便可以求得F3断裂在东营组三段、二段和一段内断层岩的压实成岩埋深分别为2 486.13，1 031.55，847.90 m。

由于F3断裂在东三段、二段和一段断层岩压实成岩已达到一定深度，孔隙度相对较小，且均小于对应的东三段、二段和一段的孔隙度（分别为17.74%，24.81%，30.05%），表明F3断裂具有一定的封闭能力，有利于油气在其附近储层中聚集和保存，这可能是能在F3断裂附近东三段至东一段找到油气的一个重要原因。在预测断层岩压实成岩埋深时需注意：1）该方法适用于砂泥岩盆地断层岩，不适用于碳酸盐岩和火山岩含油气盆地断层岩；2）该方法适用于上覆无明显抬升剥蚀的地层中正断层压实成岩埋深的预测，不适用于上覆地层存在明显抬升剥蚀的情况；3）该方法适用于断裂不同活动阶段的断层岩压实成岩埋深预测，但前提是假设各阶段断层岩压实成岩历史相似。

4 结论

1）断层岩的压实成岩埋深主要受到埋藏深度、泥质含量、倾角和停止活动时间的综合影响，在断裂倾角和停止活动时间确定的条件下，断层岩埋藏深度越大，泥质含量越高，断层岩压实成岩埋深越大；反之越小。

2）将与断层岩具有相同泥质体积分数的围岩孔隙度随压实埋藏深度变化关系曲线从围岩停止沉积时间移至相当于断层岩开始压实成岩沉积时间，此时的曲线可看作断层岩孔隙度随压实成岩埋深变化关系曲线，取断层岩现今压实成岩埋深对应的孔隙度，可求得断层岩现今孔隙度。据此，由围岩孔隙度随压实成岩埋深及泥质体积分数变化关系，建立了一套断层岩压实成岩埋深的预测方法，克服了以往方法假设条件过于苛刻的不足。

3）运用该方法对南堡凹陷南堡5号构造F3断裂在东营组三段、二段和一段内断层岩压实成岩埋深进行预测。结果表明，F3断裂在东营组三段、二段和一段内断层岩压实成岩埋深分别为2 486.13，1 031.55，847.90 m，均具有一定的封闭能力，有利于油气在F3断裂附近聚集和保存，与目前F3断裂附近东三段至东一段已发现油气分布相符，表明该方法用于预测砂泥岩地层中断层岩压实成岩埋深是可行的。